大型鍛件硬度檢測技術(shù)研究與改進*

王永協(xié),李治濤

(中國船舶集團有限公司第七一三研究所,河南 鄭州 450015)

1 引言

42CrMo是機械制造業(yè)使用最廣泛的鋼號之一,由于良好的機械力學(xué)性能,被廣泛應(yīng)用于航空、艦船等軍用領(lǐng)域中,也被鍛造成不規(guī)則形狀大型零部件[1]。隨著船舶行業(yè)的快速發(fā)展,艦船用機械工件的幾何尺寸和重量隨之增大,同時對熱處理工藝、設(shè)備和質(zhì)量檢測也提出了新課題[2]。

可移動大、重型零部件表面硬度的常用方法主要有龍門洛氏硬度計和里氏便攜硬度計檢測兩種[3-4]。龍門洛氏硬度檢測相對里氏法檢測的結(jié)果準(zhǔn)確性更高,但中國船舶集團有限公司第七一三研究所暫沒有龍門硬度儀,不具備龍門洛氏法檢測條件,一般將端蓋本體委托外協(xié)廠家進行檢測。由于零部件尺寸大,考慮轉(zhuǎn)運、協(xié)調(diào)等因素,嚴(yán)重影響檢驗效率和交付節(jié)點,同時成本也比較高。里氏硬度檢測由于體積小,重量輕,攜帶方便,檢測無需工作臺,無論是大、重型工件,還是幾何尺寸復(fù)雜工件均容易實現(xiàn)硬度檢測,對被測工件表面損傷較小,被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場。但里氏硬度計物理意義不夠明確,這種方法試驗力的施加是動態(tài)的和沖擊的,檢測時對工件表面質(zhì)量要求較高,可重復(fù)性差[5-6]

另外,圖紙技術(shù)要求采用的硬度表達方式代表了相應(yīng)的設(shè)計力學(xué)性能需求。在一定載荷、一定檢測條件下獲取的硬度值,可以準(zhǔn)確反映材質(zhì)經(jīng)一定的熱處理工藝方法后得到的表面硬度、基體硬度。因此,當(dāng)更換與圖紙技術(shù)要求不同的硬度檢測方法時,必須考慮兩種檢測方法是否具有互換性[7],檢測條件是否滿足檢測要求,檢測結(jié)果是否能夠準(zhǔn)確反映出工件真實的硬度值。在實際檢測中,也經(jīng)常出現(xiàn)轉(zhuǎn)換檢測方法后檢測結(jié)果不一致的情況[8-9]。

當(dāng)前,里氏硬度檢測受工件表面粗糙度、碳化層厚度、硬化層深度等影響,與洛氏法相比,影響里氏法測量檢測值的因素比較多,即便是同一因素如碳化層,也會影響材質(zhì)的化學(xué)成分,降低表面硬度,減小表面硬化層深度,這些因素綜合影響下,導(dǎo)致硬度檢測的準(zhǔn)確性不高[10-11]。對于大型鍛件,如何科學(xué)有效地利用里氏法檢測進行準(zhǔn)確測量,成為當(dāng)下大型鍛件亟待解決的難題。

2 產(chǎn)品現(xiàn)狀

端蓋本體是本所典型的批產(chǎn)大型鍛件,其中,鍛造為外協(xié)工序,入廠后需要復(fù)驗硬度。圖1所示為端蓋本體簡圖,直徑為d,厚度為H。端蓋本體硬度技術(shù)要求為32～37 HRC,外協(xié)廠家鍛件采用洛氏法檢測硬度,本所應(yīng)用便攜式里氏法檢測工件的表面硬度。

圖1 端蓋本體簡圖

端蓋本體利用洛氏法和里氏法檢測硬度的結(jié)果對比見表1。外協(xié)返廠后的硬度復(fù)驗方法與外協(xié)廠家的檢測方法不一致,并由此引起檢驗、生產(chǎn)和外協(xié)廠家的爭議問題,外協(xié)廠家檢測結(jié)果和本所復(fù)驗結(jié)果存在較大偏差,甚至影響工件合格的判定。

表1 里氏法和洛氏法檢測結(jié)果對比

因端蓋本體生產(chǎn)批量大,任務(wù)急,本所僅有里氏硬度計,利用現(xiàn)有設(shè)備,需利用和掌握里氏檢測硬度機理,通過硬度檢測試驗方案,盡快探索出適宜端蓋本體檢測硬度的最佳方案,確保工件按節(jié)點順利交付。

3 試驗方案

端蓋本體硬度檢測試驗方案的目的是驗證工藝改進是否會影響硬度的檢測結(jié)果。針對工件入廠復(fù)驗結(jié)果一致性差、交付及時性差等問題,通過改進工藝提升檢測效率,但不能影響檢測的準(zhǔn)確性。對于端蓋本體的工藝改進主要有如下兩種方案,采用兩端面粗車前、后硬度檢測和本體取樣方案探索里氏硬度試驗法檢測重復(fù)性差等問題的根源。

3.1 工件粗車前后對比方案

3.1.1 端面粗車前后結(jié)果對比實施

端蓋本體檢測硬度時,首先根據(jù)零件形狀特點確定采點位置。

第1種方式是在工件檢測部位處利用砂輪砂紙手工打磨光滑平整,便攜里氏硬度計對工件表面要求比較高,打磨處的粗糙度應(yīng)達到Ra1.6 μm,這樣可以減小工件表面質(zhì)量對硬度結(jié)果的影響。第2種方式是粗車端面后檢測硬度。圖2所示為端蓋本體機械加工端面示意圖。在A、B端面粗車后,表面光滑平整無需打磨,利用便攜里氏硬度計檢測硬度,這時應(yīng)注意粗車端面見光即可。

圖2 端蓋本體機械加工端面示意圖

取兩件端蓋本體,在相同條件下手工打磨熱處理碳化層后檢測硬度并記錄,同時在采點處做出標(biāo)記;然后,粗車圖2中A、B端面,在相同位置采點打硬度記錄數(shù)據(jù)。表2和表3分別為1#工件、2#工件手工打磨工件表面硬度檢測數(shù)據(jù)和粗車面硬度數(shù)據(jù)的對比情況。工件檢測6個采點位的硬度平均值數(shù)據(jù)及差值。其中,端蓋本體硬度轉(zhuǎn)換成里氏的技術(shù)要求為585～620 HLD。

表2 1#工件里氏法硬度檢測結(jié)果平均值對比

表3 2#工件里氏法硬度檢測結(jié)果平均值對比

通過表中數(shù)據(jù)可以看出,里氏硬度差值范圍為8～13 HLD,在采點位置一致、硬度檢驗方法相同的情況下,硬度結(jié)果有明顯差值,相差約10 HLD。2#工件的采點位2的粗加工前后硬度差值為12 HLD,粗加工前硬度值合格,粗加工后硬度結(jié)果超差,由此可知,檢驗工藝方案在一定程度上影響檢驗結(jié)果和合格判定。

3.1.2 試驗結(jié)果準(zhǔn)確性驗證

為了準(zhǔn)確解釋粗車前、后數(shù)據(jù)的偏差問題(手工打磨硬度檢測數(shù)據(jù)偏小,粗車后硬度檢測結(jié)果偏大),將工件外委檢測,利用龍門洛氏硬度試驗法檢測硬度來對比驗證。工件龍門洛氏硬度檢測結(jié)果見表4。

表4 工件龍門洛氏硬度檢測結(jié)果(轉(zhuǎn)換成里氏硬度)

通過與表2、表3中數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn),1#工件和2#工件龍門洛氏硬度檢測結(jié)果和粗車前手工打磨硬度檢測結(jié)果相近,這就從側(cè)面反映了粗車前手工打磨硬度檢測方案的準(zhǔn)確性更高。

3.2 本體取樣檢測方案

3.2.1 本體取樣方案實施

根據(jù)端蓋本體成品的形狀特點,在粗加工時可以銑削下一塊方料做試樣用于硬度檢測。通過對試樣的硬度檢驗來間接表征端蓋本體的硬度值。圖3所示為端蓋本體粗加工試樣位置簡圖。根據(jù)成品的位置尺寸L1、L2和角度尺寸a,切下相同尺寸大小的試樣1和試樣2,不影響最終成品。

圖3 粗加工時試樣位置簡圖

利用THRP-150D型洛氏硬度計檢測試樣1、試樣2的硬度,在打洛氏硬度之前,首先應(yīng)區(qū)分所要打硬度的表面,需要和端蓋本體上下表面一致,記錄試樣1、試樣2洛氏硬度值。同時,端蓋本體的尺寸較大,對本體的硬度檢測需利用大型龍門硬度儀進行檢驗。兩件端蓋本體外包廠家進行檢測,檢測時的具體采點位置如圖4所示,可以看出,采點位置基本均勻覆蓋零件表面,且對正、反面均進行洛氏硬度檢測。

圖4 龍門洛氏硬度檢測點位簡圖

對3#工件和4#工件兩件端蓋本體采用本體取樣方案,利用洛氏硬度計對兩工件試樣進行檢測并記錄硬度數(shù)據(jù),間接得到3#工件的洛氏硬度為34.3 HRC,4#工件的洛氏硬度為35.4 HRC。

3.2.2 試驗結(jié)果準(zhǔn)確性驗證

選取兩件端蓋本體進行龍門洛氏硬度檢測,其中采點位置如圖4所示。表5是3#工件端蓋本體各點位洛氏硬度值檢測記錄,表6是4#工件端蓋本體各點位洛氏硬度值檢測記錄。

表5 3#工件端蓋本體各點位洛氏硬度值(平均值)

表6 4#工件端蓋本體各點位洛氏硬度值(平均值)

從表5和表6中數(shù)據(jù)可以看到3#工件和4#工件端蓋本體a～q點位的洛氏硬度及正、反面洛氏硬度檢測記錄。3#工件的硬度檢測結(jié)果為33.1～35.6 HRC,對比3#工件的試樣硬度34.3 HRC,硬度比較均勻。4#工件d、k點位的硬度與4#工件試樣硬度35.4 HRC基本一致,但g、h、f、i點位的硬度與試樣硬度結(jié)果有明顯偏差,表現(xiàn)為硬度結(jié)果不均勻且有超差現(xiàn)象。

經(jīng)過對不合格部位做金相處理發(fā)現(xiàn),4#工件端蓋本體超差部位組織存在疏松、偏析情況,這是造成零件硬度不均勻的根本原因。反過來,也可以通過檢測大型鍛件硬度來判斷工件內(nèi)部是否存在鍛造缺陷。

4 分析與討論

4.1 端面粗車前后方案討論

首先,里氏硬度檢測代替洛氏檢測加大了檢驗員的工作難度。零件表面粗糙度對里氏法的影響最大,所以保證打磨處碳化層的工件表面質(zhì)量是關(guān)鍵。本所根據(jù)里氏硬度檢測試驗數(shù)據(jù)進行分析,當(dāng)表面粗糙度為Ra1.6 μm或≤Ra1.6 μm時,相同采點處的硬度值趨于穩(wěn)定。

其次,工件粗車后在相同點位檢測硬度,從試驗結(jié)果可以看出,在檢測方法一致的情況下,粗車前、后的硬度值有偏差,且偏差值為10～12 HLD。結(jié)合受力分析,零件表面在車削時,刀具對零件表面層有擠壓作用,該擠壓力足夠改變表面硬度結(jié)果。

最后,根據(jù)里氏硬度計的機理可知,里氏法檢測可以很好地表征工件表面的硬度,端蓋本體打磨碳化層保證表面粗糙度Ra1.6 μm或≤Ra1.6 μm的檢測結(jié)果更接近于硬度真實值。

4.2 本體取樣檢測方法討論

因端蓋本體尺寸較大,洛氏法需利用龍門式硬度儀進行檢測,但本所暫不具備洛氏硬度檢測條件,通過本體取樣方案可以由局部硬度結(jié)果表征端蓋本體的硬度值。本體取樣方案具有一定的局限性,首先,取樣時必須考慮工件成品形狀尺寸;然后,鍛件質(zhì)量穩(wěn)定性會造成結(jié)果偏差,取樣方案只能反映試樣周邊的硬度值;最后,機械加工時間也在一定程度上影響生產(chǎn)進度,檢驗效率低。

另外,在零件鍛造過程中,因工藝、設(shè)備等因素會出現(xiàn)鍛造缺陷,常見的鍛件缺陷分為低倍缺陷和顯微缺陷兩類,主要如疏松、偏析、粗晶、異金屬夾雜等[12]。反映在性能方面的缺陷就是檢測硬度不均勻,導(dǎo)致硬度不合格現(xiàn)象。

4.3 檢測設(shè)備和方法選擇

大型鍛件因尺寸及重量均很大,無法利用臺式硬度計直接檢驗。不同的硬度檢測方法應(yīng)用的檢測原理不同,檢測值的力學(xué)適用條件也不同。技術(shù)要求洛氏硬度,利用里氏法測量轉(zhuǎn)換時,也應(yīng)考慮硬度檢測的原理,充分考慮其合理性和適宜性,只有這樣,才能保證檢測的精度、準(zhǔn)確性和可靠性。

另外,端蓋本體的硬度檢測也可利用龍門式硬度儀進行檢驗,本所通過補充龍門式硬度儀檢測設(shè)備開展洛氏法檢測,有效提高了可移動式大型工件硬度檢測能力和水平。

5 小批量驗證

結(jié)合上述檢測試驗方案的結(jié)果,最終確定端蓋本體最佳檢測方法是采用手工打磨檢測點位,保證表面粗糙度≤Ra1.6 μm,利用便攜里氏硬度計進行硬度檢測。

為了驗證該檢測方案的準(zhǔn)確性和時效性,選取202202批次5件端蓋本體的生產(chǎn)驗收情況開展有效性評價,零件編號為H202202001～H202202005,外廠鍛件入廠復(fù)驗硬度。首先,確認(rèn)特殊過程鍛造工序質(zhì)量符合要求,復(fù)核廠家合格證明文件;然后,按檢測試驗確定的點位畫出工件檢測點位,依次手工打磨拋光各點位的碳化層,達到表面粗糙度Ra1.6 μm,利用里氏法檢測硬度。記錄5件端蓋本體硬度檢測結(jié)果;最后,將5件端蓋本體外委,采用龍門洛氏硬度計相同點位檢測驗證。

驗證批硬度檢測結(jié)果對比情況見表7。通過對比檢驗結(jié)果發(fā)現(xiàn),端蓋本體利用手工打磨里氏檢測點位法與龍門硬度儀檢測結(jié)果范圍區(qū)間相近,考慮到采點或其他偶然人為因素影響,硬度檢測結(jié)果差值基本可以忽略不計。

表7 驗證批硬度檢測結(jié)果對比情況

6 結(jié)語

本文利用便攜硬度儀對端蓋本體硬度進行檢測,在工程應(yīng)用中開展檢測試驗,驗證了里氏硬度檢測的影響因素,得到了端蓋本體硬度檢測的最佳方案,解決了端蓋本體的里氏法檢測難題,同時,保證了檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。對于可移動大型鍛件的硬度檢測應(yīng)用具有指導(dǎo)意義,可以得出如下結(jié)論。

1)便攜里氏硬度計對機械加工工件表面直接進行硬度檢測,硬度結(jié)果會稍偏大。

2)大型鍛件最佳檢驗方案是表面手工打磨檢測點位,保證表面粗糙度≤Ra1.6 μm,采用里氏法檢測,在一定條件下能夠保證硬度檢測的準(zhǔn)確性。

3)大型鍛件硬度結(jié)果受鍛件質(zhì)量影響較大,利用本體取樣方案間接檢測其硬度具有一定的局限性。

4)對可移動、有規(guī)則形狀的大型鍛件的硬度檢測,在檢測條件允許時,利用龍門洛氏硬度儀直接進行檢驗,可以有效提升檢驗準(zhǔn)確性和及時性。